步進電機細分驅(qū)動電路及原理

細分原理分析

步進電機驅(qū)動線路,如果按照環(huán)形分配器決定的分配方式,控制電動機各相繞組的導(dǎo)通或截止,從而使電動機產(chǎn)生步進所需的旋轉(zhuǎn)磁勢拖動轉(zhuǎn)子步進旋轉(zhuǎn),則步距角只有二種,即整步工作或半步工作,步距角已由電機結(jié)構(gòu)所確定。如果要求步進電機有更小的步距角,更高的分辨率,或者為了電機振動、噪聲等原因,可以在每次輸入脈沖切換時,只改變相應(yīng)繞組中額定的一部分,則電機的合成磁勢也只旋轉(zhuǎn)步距角的一部分,轉(zhuǎn)子的每步運行也只有步距角的一部分。這里,繞組電流不是一個方波,而是階梯波,額定電流是臺階式的投入或切除,電流分成多少個臺階,則轉(zhuǎn)子就以同樣的次數(shù)轉(zhuǎn)過一個步距角,這種將一個步距角細分成若干步的驅(qū)動方法,稱為細分驅(qū)動。在國外,對于步進系統(tǒng),主要采用二相混合式步進電機及相應(yīng)的細分驅(qū)動器。但在國內(nèi),廣大用戶對“細分”還不是特別了解,有的只是認為,細分是為了提高精度,其實不然,細分主要是改善電機的運行性能。由于細分驅(qū)動器要精確控制電機的相電流,所以對驅(qū)動器要有相當(dāng)高的技術(shù)要求和工藝要求,成本亦會較高。

圖3 給出了三相步進電機八細分時的各相電流狀態(tài)。由于各相電流是以1P4 的步距上升或下降的,原來一步所轉(zhuǎn)過的角度θ將由八步完成,實現(xiàn)了步距角的八細分。由此可見,步進電機細分驅(qū)動的關(guān)鍵在于細分步進電機各相勵磁繞組中的電流。

步進電機細分驅(qū)動電路

為了對步進電機的相電流進行控制,從而達到細分步進電機步距角的目的,人們曾設(shè)計了很多種步進電機的細分驅(qū)動電路。隨著微型計算機的發(fā)展,特別是單片計算機的出現(xiàn),為步進電機的細分驅(qū)動帶來了便利。目前,步進電機細分驅(qū)動電路大多數(shù)都采用單片微機控制,它們的構(gòu)成框圖如圖4 所示。單片機根據(jù)要求的步距角計算出各相繞組中通過的電流值,并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DPA) 中,由DPA 把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓,經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上,控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流,來實現(xiàn)步進電機的細分。單片機控制的步進電機細分驅(qū)動電路根據(jù)末級功放管的工作狀態(tài)可分為放大型和開關(guān)型兩種(見下圖5)。

圖5 　步進電機細分驅(qū)動電路
放大型步進電機細分驅(qū)動電路中末級功放管的輸出電流直接受單片機輸出的控制電壓控制,電路較簡單,電流的控制精度也較高,但是由于末級功放管工作在放大狀態(tài),使功放管上的功耗較大,發(fā)熱嚴重,容易引起晶體管的溫漂,影響驅(qū)動電路的性能。甚至還可能由于晶體管的熱擊穿,使電路不能正常工作。因此該驅(qū)動電路一般應(yīng)用于驅(qū)動電流較小、控制精度較高、散熱情況較好的場合。開關(guān)型步進電機細分驅(qū)動電路中的末級功放管工作在開關(guān)狀態(tài),從而使得晶體管上的功耗大大降低,克服了放大型細分電路中晶體管發(fā)熱嚴重的問題。但電路較復(fù)雜,輸出的電流有一定的波紋。因此該驅(qū)動電路一般用于輸出力矩較大的步進電機的驅(qū)動。

隨著大輸出力矩步進電機的發(fā)展,開關(guān)型細分驅(qū)動電路近年來得到長足的發(fā)展。目前,最常用的開關(guān)型步進電機細分驅(qū)動電路有斬波式和脈寬調(diào)制(PWM) 式兩種。斬波式細分驅(qū)動電路的基本工作原理是對電機繞組中的電流進行檢測,和DPA 輸出的控制電壓進行比較,若檢測出的電流值大于控制電壓,電路將使功放管截止,反之,使功放管導(dǎo)通。這樣,DPA輸出不同的控制電壓,繞組中將流過不同的電流值。脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路是把DPA 輸出的控制電壓加在脈寬調(diào)制電路的輸入端,脈寬調(diào)制電路將輸入的控制電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈沖寬度的矩形波,通過對功放管通斷時間的控制,改變輸出到電機繞組上的平均電流。由于電機繞組是一個感性負載,對電流有一定的波波作用,而且脈寬調(diào)制電路的調(diào)制頻率較高,一般大于20 kHz ,因此,雖然是斷續(xù)通電,但電機繞組中的電流還是較平穩(wěn)的。和斬波式細分動電路相比,脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路的控制精度高,工作頻率穩(wěn)定,但線路較復(fù)雜。因此,脈寬調(diào)制式細分驅(qū)動電路多用于綜合驅(qū)動性能要求較高的場合。